基于多層架構的輸電線路遷移改造監測系統設計

凌 宇，許斌斌，萬 新

（廣州供電局，廣東 廣州 510000）

傳統110 kV架空輸電線路已難以滿足城市新規劃、新建設的需要[1]。當前，城郊架空輸電線路多集中在規劃的機動車道附近[2]。同時，大多數架空輸電線路將覆蓋人口相對密集地區。輸電架空線劃傷會影響整個電網的安全運行，嚴重影響人們的生命財產安全[3]。所以有必要將架空輸電線路改造為電纜線路來滿足當地電力需求。以往設計的基于MEMS技術的監控系統[4]和用于傳輸線遷移改造的光纖傳感器[5]，具有高度集成化、多技術集成的特點，智能化算法的引入，使得電力系統運行數據更具價值。但在監控過程中容易受線路周圍環境的影響，導致監控效果較差。為了進一步提高監控精度，提出了一種基于多層結構的傳輸線遷移與轉換監測系統的設計方案。110 kV架空輸電線路穿越市區，從安全角度考慮，會對當地整體規劃產生一定影響，因此，為滿足當地電力需求設計多層結構監控系統十分必要。

1 監測系統總體結構設計

輸電線改造實時監控系統是一個軟、硬件相結合的系統，主要包括監控設備、通信網絡、監控中心服務器、線路監控分析軟件等[6]。所設計的監測系統總體結構如圖1所示。

圖1 監測系統總體結構

監測設備包括監測裝置和監測基座，監控器是安裝在導線、地線、絕緣子、桿塔等設備上，以各種原理通過通道向系統上層設備傳輸數據的數據采集裝置[7]。監控臺是指數據集中器，收集數據的各數據采集單元，存儲并處理現場，通過通信網絡向監控臺服務器發送數據，或轉發監控設備的指令，控制數據采集設備的運行狀態和操作參數[8]。

通過通信網和數據處理系統，將采集到的實時數據存儲到監控中心服務器上。監控分析軟件能實時顯示和分析線路運行數據，并能及時給出預警信息，有效預防各類事故發生[9-10]。

2 系統硬件結構設計

基于實時監測的各類專業實時監測系統，已不能滿足電網信息化建設的需要，因此，對輸電線路實時監測系統進行改造是歷史的必然[11]。傳輸線實時監測系統負責線路上的設備轉換連接，通過設備管理模型和技術手段對線路進行管理，以確保線路轉換連接的安全經濟運行[12]。

輸變電線路遷移改造實時監控系統是對線路運行狀態監測、線路運行管理、故障判斷等數據進行整合、綜合處理，為線路維護提供決策支持的知識模型[13]。圖2顯示了基于多層架構的監測系統硬件結構。

圖2 基于多層架構的監測系統硬件結構

線路整體運行的實時監控與管理系統由3部分組成，傳輸線數據采集平臺包括對實時監測數據的采集和對電網業務系統其他信息如設備賬務數據的導入。收集微氣象、雷擊、導線溫度等實時監測信息，對各種數據進行標準化處理和存儲，并將其存儲在網格業務數據集成中心相應的數據庫中。

依據線路數據采集分析平臺，顯示線路運行狀態信息。通過專業的電力傳輸GIS系統，為整個系統提供信息展示服務[14]。綜合考慮地理信息、電力設備基礎信息和實時設備信息，通過圖像直觀地顯示整個綜合系統。

2.1 實時數據展示模塊

鑒于實時監測系統對數據的有效性要求較高，如何安全、實時、準確地采集、接收和顯示實時數據，建立完整的數據通道，成為實時監測系統中的首要問題[15]。

在傳輸線的實時監控和動態擴展系統中，導體溫度數據以GPRS(General Packet Radio Service)數據包的形式返回到中央服務器，然后解析并寫入數據包，這些數據包通過實時數據采集平臺進入實時數據表。采用SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統實時采集和存儲測量的導線承載電流，并通過通用適配器訪問省局數據庫中的實時數據。

2.2 線路參數管理模塊

該系統統一管理與電網監控有關的線導體信息、線塔賬戶信息，為用戶查看線塔基本情況提供快捷準確的信息服務。線性參量管理模塊可實現線、塔、線型等相關配置，并可對數據進行添加、修改和刪除。

2.3 線路監控報警模塊

按照國標要求，結合線區專家對設備監測的線溫，分階段確定監測指標，設定相應的監測閾值，并通過條件查詢分析，判斷各指標是否越界[16]。若認為監測數據超出標準，則發出禁止入內警報，并以圖形顏色顯示相應報警級別的狀態，如預警、報警等，結合當前的測量電流和氣象信息給出促進安全運行的診斷，防止安全事故發生。

3 軟件部分設計

3.1 系統業務流程

系統是在傳輸線上安裝在線監測裝置，對傳輸線的狀態、氣象條件和載流量進行實時監測，根據導線本身的特性、導線的溫度、載流量理論、最大電流承載能力理論和隱藏載流能力計算導線載流量的實時計算模型，并不違背現行技術法規的規定[17]。利用已有的運行經驗，通過實時計算分析，有效地提高了線路傳輸能力。其基本工作流程如下：

1）對傳輸線電流值、導線溫度值及周圍環境數據，包括光照、環境溫度、風速等進行實時監測和采集。

2）根據以上測量數據和導線本身的特點，通過導線傳輸線的數學模型，實時計算導線的溫度、理論載流能力、最大理論載流能力和隱藏載流能力。

3）根據實時監控分析和安全指標，為調度人員提供調度決策參考。

3.2 動態增容監測

依據測量得到的導線溫度及相應的氣象資料，計算被選線路站在一定時間內的理論最大容量及理論載流量，再根據測量得到的電流及相應的氣象資料計算出導線溫度。并與實測數據進行對比分析，結合歷史監測信息和計算數據，對該線路運行調度提供參考依據。

導線的傳輸能力取決于在已知環境溫度和給定導線工作溫度下的最大穩態電流。在實際運行中，影響導線載流量的主要因素是氣象和環境。在導線直徑一定的情況下，導線的容許溫度和邊界條件是影響其載流量的主要因素。

根據現有架空導線載流量的計算公式，其計算原理是根據導線發熱與散熱的熱平衡原理導出的。導體內無電流時，導線溫度與周圍介質溫度相等；電阻將電能轉換為熱能，當電流通過時，引起溫度變化。所產生的熱能部分儲存在導線和絕緣材料中，剩余的熱能由絕緣材料傳導至導線或電纜的表面，并通過對流和輻射向周圍環境傳輸[18]。與此同時，陽光會使導線溫度發生變化。在導線穩定之前，由于導線與絕緣體之間以及與周圍環境之間存在熱阻，導線的溫度升高，電阻率相應增大，產生更多的熱能，所產生的能量就會傳遞給周圍的環境，而導線的溫度是恒定的。熱量平衡方程式為：

式（1）中，Wa表示電阻發熱功率；Wb表示輻射散熱功率；Wc表示對流散熱功率；Wd表示日照吸熱功率。

導線允許載流量計算公式為：

式（2）中，R表示某一溫度下的導線電阻。

4 實驗分析

以某市供電局110 kV輸電線路遷移改造工程為例，對基于多層架構的輸電線路遷移改造監測系統設計合理性進行實驗驗證分析。

4.1 實時數據采集

由于實際氣象條件比設定條件復雜，因此，需采集某條輸電線路遷移改造線路實時數據進行統計分析，如表1所示。

表1 實時數據統計分析

由表1可知實時采集風速、環境溫度及日照強度實時數據，由此展開實驗驗證分析。

4.2 風速對載流量監測影響

當導線溫度為60℃時，風速由0.4 m/s降至0.1 m/s，載流量也由80 A減少到30 A，以此為基礎，分別使用基于MEMS技術設計的監測系統[4]T1、引入光纖傳感設計的監測系統[5]T2和基于多層架構的監測系統T3進行風速對載流量的監測，結果如表2所示。

表2 風速對3種系統載流量監測情況

由表2可知，基于多層架構監測系統受到風速影響，載流量由80 A減少到30 A，與理想情況一致；使用基于MEMS技術設計的監測系統受到風速影響較大，載流量由80 A減少到65 A，監測結果與理想狀態結果不一致；使用引入光纖傳感設計的監測系統受到風速影響，載流量由80 A減少到50 A，比基于MEMS技術設計的監測系統的監測結果更加精準，但與基于多層架構的監測系統的監測結果相比，結果不精準。

4.3 溫度與載流量監測影響

環境溫度在0～35℃內變換時，導線環境溫度升高，載流量減少較快，由800 A減少到400 A。以此為基礎，分別使用基于MEMS技術設計的監測系統T1、引入光纖傳感設計的監測系統T2和基于多層架構的監測系統T3進行溫度對載流量的監測，結果如表3所示。

表3 溫度對3種系統載流量監測情況

由表3可知，T1系統在溫度影響下對載流量的監測結果與實際結果不一致，當溫度為35℃時，載流量監測結果為450 A，與實際結果相差50 A；T2系統在溫度影響下對載流量的監測結果與實際結果相差較大，當溫度為35℃時，載流量監測結果與實際結果相差200 A；T3系統與實際監測結果一致。

4.4 日照強度對載流量監測影響

導線溫度為655℃時，日照強度由1 500 W/m2下降到700 W/m2，載流量由50 A增加至250 A。以此為基礎，分別使用基于MEMS技術設計的監測系統T1、引入光纖傳感設計的監測系統T2和基于多層架構的監測系統T3進行日照強度對載流量的監測，結果如表4所示。

由表4可知，T1系統在日照強度影響下對載流量的監測結果與實際結果在日照強度為700 W/m2時相差較大，最大為60 A；T2系統在日照強度影響下對載流量的監測結果與實際結果在日照強度為700 W/m2時相差較大，最大為160 A；T3系統與實際監測結果一致。

表4 日照強度對3種系統載流量監測情況

綜上所述，基于多層架構的監測系統在風速、環境溫度和日照強度影響下，具有精準的監測效果。

5 結束語

文中提出了一種基于多層結構的傳輸線遷移與轉換監測系統，通過硬件和軟件設計，采用傳感器技術，綜合利用監測數據，實現了傳輸線的監測和改造。該系統的通信網絡采用光纖技術，采用光纜電纜構成有線網絡。由于其具有很強的適應性和容錯能力，從而保證了數據通道的可靠性。

當前，由于傳感器的硬件成本和移動終端的通信成本等因素的限制，聯機監測的應用無法大規模實現，出現該現象的主要原因是監測數據不夠完整。因此，未來可引入傳感器技術，使其功能更加多樣化。